C++ new 運算子、operator new 與 Placement New 三重奏完整指南

三種 new 的身分證

new 運算子執行流程

string* ps = new string("hello");
// 編譯器展開為：
void* raw = operator new(sizeof(string));  // 1. 配置原始記憶體
string* ps = static_cast<string*>(raw);   // 2. 型別轉換
ps->string::string("hello");               // 3. 呼叫建構函式（編譯器內部語法）

operator new 重載指南

全域重載

void* operator new(size_t sz) {
    if (void* p = malloc(sz)) return p;
    throw std::bad_alloc();
}
void* operator new[](size_t sz) { return operator new(sz); }

類別專屬重載

class Widget {
public:
    void* operator new(size_t sz) { return pool_.alloc(sz); }
    void operator delete(void* p) noexcept { pool_.free(p); }
    // 陣列版
    void* operator new[](size_t sz) { return pool_.alloc(sz); }
    void operator delete[](void* p) noexcept { pool_.free(p); }
};

對齊需求（C++17）

void* operator new(size_t sz, std::align_val_t al) {
    void* p = std::aligned_alloc(static_cast<size_t>(al), sz);
    if (!p) throw std::bad_alloc();
    return p;
}

Placement New 深度解析

標準形式

#include <new>  // 必須包含

// 形式 1：指定位址
char buf[sizeof(Widget)];
Widget* pw = new (buf) Widget();           // 在 buf 建構

// 形式 2：帶初始化引數
int val = 42;
int* pi = new (&val) int(99);             // 覆寫 val 為 99

// 形式 3：陣列 placement new（C++20）
alignas(Widget) char buf[N * sizeof(Widget)];
Widget* arr = new (buf) Widget[N];         // 建構陣列

對應的 operator new 簽名

void* operator new(size_t, void* ptr) noexcept { return ptr; }
void* operator new[](size_t, void* ptr) noexcept { return ptr; }

不配置記憶體，直接回傳指定位址；建構失敗（拋出例外）時不會呼叫對應 operator delete，必須手動解構。

實際應用場景

• STL 容器節點配置：std::allocator::construct() 內部使用 placement new
• 記憶體池/物件池：預先配置大塊記憶體，placement new 逐個建構
• 共享記憶體/記憶體映射檔：在固定位址建構資料結構
• 自訂對齊：new (std::align_val_t(64)) Widget（C++17）

new 失敗處理機制

五大核心法則

1. 運算子 new 不可重載，僅能重載 operator new 函式
2. operator new 不呼叫建構函式，僅回傳原始記憶體
3. Placement new 不配置記憶體，釋放時只能顯式呼叫解構函式
4. 重載 operator new 必須配對重載 operator delete
5. 陣列 new[] 需配對 delete[]，中間插入建構/解構循環

現代 C++ 建議

• 應用層代碼 極少直接呼叫 new/delete
• 使用 std::make_unique、std::make_shared、std::vector、std::string
• 自訂配置器透過 std::allocator 或 std::pmr::polymorphic_allocator 注入容器
• Placement new 僅用於底層庫實作（配置器、容器、序列化框架）

掌握 new 的三重身分與生命週期，才能在需要極致效能、特殊記憶體模型時，正確駕馭 C++ 底層機制。